不同計算模型對異形柱結(jié)構(gòu)體系抗震分析的影響

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簡介： 鋼筋混凝土異形柱指的是除矩形、圓形以外的截面形式，如T形、十字形、L形等截面形式，僅由鋼筋混凝土異形柱作為豎向構(gòu)件組成的結(jié)構(gòu)體系，稱之為異形柱框架結(jié)構(gòu)，它一般可用于多層住宅等。除此以外，異形柱結(jié)構(gòu)體系還包括框架-斜撐及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，可用于小高層或高層住宅。由于這種結(jié)構(gòu)體系采用與填充墻同厚的T形、十字形、L形柱，它不僅具有可使室內(nèi)不出現(xiàn)柱楞，又可增加使用面積的特點(diǎn)，而且具有改善建筑功能并使室內(nèi)布置靈活的特性，受到建筑師、開發(fā)商以及廣大用戶的歡迎。雖然這種結(jié)構(gòu)體系趨于定型只是近幾年的事，但已在天津、廣州等地得到廣泛的應(yīng)用，并編制了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)程。
關(guān)鍵字：異形柱 結(jié)構(gòu)設(shè)計 抗震分析

1 前言

　　研究表明，異形柱結(jié)構(gòu)體系的受力特性和抗震性能不同于矩形柱結(jié)構(gòu)體系，而由于異形柱截面的不對稱特性，在水平地震荷載作用下產(chǎn)生的雙向偏壓給框架柱承載力帶來的影響更不容忽視。所以，對異形柱結(jié)構(gòu)應(yīng)采用三維整體分析的方法，目前能用于這種結(jié)構(gòu)抗 震分析的常用軟件有TAT、SATWE等。

　　由于在實際工作中，所布置的往往不全是異形柱，其中經(jīng)常會混合采用墻肢相對較長的剪力墻。在這類結(jié)構(gòu)的計算模型輸入時，有的設(shè)計人員往往把異形柱按短肢剪力墻輸入，有的甚至將異形柱框架結(jié)構(gòu)全部按短肢剪力墻輸入，這樣勢必造成一些計算誤差，而且發(fā)現(xiàn)有些構(gòu)件的計算誤差會影響結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的安全。為此，本文利用一組算例，分析了采用不同輸入方式(即采用不同的計算模型)對結(jié)構(gòu)抗震分析結(jié)果的影響，以便引起設(shè)計人員的重視。

2 計算模型及基本計算參數(shù)

　　(1)計算模型：根據(jù)目前用于多層住宅的異形柱框架結(jié)構(gòu)的實際情況，為便于分析、比較，本文選取一個柱網(wǎng)尺寸為3.6m×4.2m，共8層的異形柱框架結(jié)構(gòu)，層高2.8m，計算中分別按異形柱和剪力墻兩種形式輸入，以下將采用異形柱形式輸入的結(jié)構(gòu)稱為模型一，以剪力墻形式輸入的結(jié)構(gòu)稱為模型二。分別采用TAT和SATWE軟件進(jìn)行抗震分析比較。

　　(2)基本計算參數(shù)：假設(shè)該結(jié)構(gòu)所處場地土類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為7度，梁截面尺寸均為150mm×370mm。整個結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級為C20。計算用樓面靜、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別取3.9kN/m2、1.5kN/m2。梁上墻的線荷載標(biāo)準(zhǔn)值取7.3kN/m2。

3 計算結(jié)果及比較

　　(1)自振周期：從表1可以看到，當(dāng)采用TAT計算時，由于薄壁桿件模型剛度明顯較異形柱大，模型二的結(jié)構(gòu)整體剛度較模型一大得多，反映在結(jié)構(gòu)自振周期上，模型二的自振周期較模型一小6.3%～17.6%；當(dāng)采用SATWE計算時，由于采用墻板單元模擬剪力墻受力，模型二的自振周期有明顯增加，最大增幅達(dá)22.2%。模型一的自振周期變化不大。從理論上說，TAT和SATWE在對異形柱框架結(jié)構(gòu)計算時采用相同的計算模型，計算結(jié)果應(yīng)該相同，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，之所以產(chǎn)生上述誤差是因為在SATWE軟件中扣除梁與異形柱剛域的重疊部分重量，而TAT沒有。在以下的計算結(jié)果中還可以看到這種誤差所產(chǎn)生的影響。

　　(2)地震作用：從表2可以看到，采用TAT計算時，模型二基底總地震剪力和彎矩較模型一大得多，兩組結(jié)果間相差最大的可達(dá)15.4%。這是因為模型二的結(jié)構(gòu)剛度較模型一大，從而使自振周期變短，地震反應(yīng)加強(qiáng)的緣故。當(dāng)采用SATWE計算時，模型二的基底地震總剪力和彎矩明顯下降，最大下降幅度為21.5%，而模型一的地震作用變化不大。

　　(3)結(jié)構(gòu)側(cè)移：從表3可以看到，當(dāng)采用TAT計算時，模型二的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移及最薄弱層的層間位移角均較模型一小得多，減少的幅度在13.5%～41.9%之間。值得注意的是，采用SATWE計算時，模型一在風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移較TAT計算結(jié)果大得多，兩者相差達(dá)23.0%。

　　(4)結(jié)構(gòu)內(nèi)力：從表4、表5可以看到，當(dāng)采用TAT計算時，模型二墻肢的軸壓力較模型一均略有減少，而采用SATWE計算時，結(jié)果則基本相反；對梁的內(nèi)力來說，無論那一個軟件計算，其內(nèi)力相差均較大，由于在模型二中梁長取墻肢端點(diǎn)長度，模型一中梁長取兩端異形柱形心長度，所以，模型二的內(nèi)力較模型二小得多，這對于以剪力墻形式代替異形柱輸入的工程來說，需引起必要的重視，不然會存在安全隱患。

4 結(jié) 語

　　上述算例分析表明，不同的計算模型無論對異形柱結(jié)構(gòu)體系的自振周期、結(jié)構(gòu)側(cè)移，還是基底彎矩和剪力、梁柱內(nèi)力都產(chǎn)生很大的影響。因此，在實際工程抗震分析時，需要注意以下幾點(diǎn)：①對于肢長與肢寬之比不大于4的異形柱，由于它已接近柱的特征，應(yīng)采用異形柱形式輸入；②對于肢長與肢寬之比稍大于4的短肢剪力墻不應(yīng)采用過高的軸壓比，宜按異形柱套用；③對異形柱結(jié)構(gòu)體系，宜采用兩種不同計算模型的軟件進(jìn)行計算，以便校核；④在套用現(xiàn)行規(guī)范或參照天津或廣東規(guī)程時，應(yīng)注意它們之間存在的差異。同時筆者建議，國家對異形柱結(jié)構(gòu)體系應(yīng)形成相應(yīng)的規(guī)范條文，以便促進(jìn)這種結(jié)構(gòu)體系的健康發(fā)展。